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<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1668954187180/1668954187180.jpg" width="808" height="538" /></p> <p>二維材料，僅由單層原子組成，可以比傳統(tǒng)材料更緊密地組合在一起，因此它們可以用于制造晶體管、太陽能電池、led和其他運(yùn)行更快、性能更好的設(shè)備。</p> <p>&nbsp;</p> <p>阻礙下一代電子產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)問題是它們?cè)谑褂脮r(shí)產(chǎn)生的熱量。傳統(tǒng)電子設(shè)備的溫度通?？蛇_(dá)80攝氏度左右，但二維設(shè)備中的材料在如此小的區(qū)域內(nèi)堆積得如此密集，以至于設(shè)備的溫度可能會(huì)翻倍。溫度升高會(huì)損壞設(shè)備。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這個(gè)問題由于科學(xué)家沒有很好地理解二維材料在溫度上升時(shí)如何膨脹而變得更加復(fù)雜。由于這些材料非常薄且光學(xué)透明，它們的熱膨脹系數(shù)(TEC)&mdash;&mdash;當(dāng)溫度升高時(shí)材料膨脹的趨勢&mdash;&mdash;幾乎不可能用標(biāo)準(zhǔn)方法測量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當(dāng)人們測量一些大塊材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，他們使用科學(xué)尺或顯微鏡，因?yàn)閷?duì)于大塊材料，你有測量它們的靈敏度。2D材料的挑戰(zhàn)在于我們無法真正看到它們，因此我們需要轉(zhuǎn)向另一種類型的尺來測量TEC，&rdquo;機(jī)械工程研究生楊忠(音譯)說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>鐘是一篇研究論文的聯(lián)合主要作者，該論文論證了這樣一種&ldquo;尺子&rdquo;。他們不是直接測量材料如何膨脹，而是用激光來跟蹤構(gòu)成材料的原子的振動(dòng)。在三種不同的表面或基材上測量一種二維材料，可以精確地提取其熱膨脹系數(shù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>新的研究表明，這種方法是高度準(zhǔn)確的，得到的結(jié)果與理論計(jì)算相符。該方法證實(shí)了二維材料的TECs范圍比之前認(rèn)為的要窄得多。這些信息可以幫助工程師設(shè)計(jì)下一代電子產(chǎn)品。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通過確定這一較窄的物理范圍，我們?yōu)楣こ處熢谠O(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)選擇底部基板提供了很大的材料靈活性。他們不需要僅僅為了減輕熱應(yīng)力而設(shè)計(jì)一種新的底部襯底。我們相信這對(duì)電子設(shè)備和包裝行業(yè)有非常重要的意義，&rdquo;聯(lián)合第一作者、前機(jī)械工程研究生、22歲博士張立南說，他現(xiàn)在是一名研究科學(xué)家。</p> <p>&nbsp;</p> <p>共同作者包括資深作者Evelyn N. Wang，福特工程教授和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系主任，以及來自麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系和中國深圳南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系的其他人。這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">測量振動(dòng)</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>因?yàn)槎S材料非常小&mdash;&mdash;可能只有幾微米大小&mdash;&mdash;標(biāo)準(zhǔn)的工具沒有足夠的靈敏度來直接測量它們的膨脹。此外，這種材料非常薄，它們必須與硅或銅等基板結(jié)合。如果2D材料及其襯底具有不同的TECs，當(dāng)溫度升高時(shí)，它們將以不同的方式膨脹，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>例如，如果2D材料與TEC更高的基板結(jié)合，當(dāng)設(shè)備被加熱時(shí)，基板將比2D材料膨脹更多，從而拉伸它。這使得測量二維材料的實(shí)際TEC變得困難，因?yàn)橐r底影響其膨脹。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員通過關(guān)注組成2D材料的原子來克服這些問題。當(dāng)一種材料被加熱時(shí)，它的原子以較低的頻率振動(dòng)，并移動(dòng)得更遠(yuǎn)，這導(dǎo)致材料膨脹。他們使用一種叫做微拉曼光譜的技術(shù)來測量這些振動(dòng)，這種技術(shù)包括用激光撞擊材料。振動(dòng)的原子分散了激光的光，這種相互作用可以用來檢測它們的振動(dòng)頻率。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但當(dāng)襯底膨脹或壓縮時(shí)，它會(huì)影響二維材料原子的振動(dòng)方式。研究人員需要解耦這種基質(zhì)效應(yīng)，以專注于材料的內(nèi)在特性。他們通過測量同一2D材料在三種不同基底上的振動(dòng)頻率來做到這一點(diǎn):具有高TEC的銅;熔融二氧化硅，具有低的TEC;還有布滿小孔的硅基板。由于二維材料懸浮在后者基板上的孔洞之上，他們可以對(duì)這些獨(dú)立材料的微小區(qū)域進(jìn)行測量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后，研究人員將每個(gè)襯底放在一個(gè)熱臺(tái)上，以精確控制溫度，加熱每個(gè)樣品，并進(jìn)行微拉曼光譜分析。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通過對(duì)三個(gè)樣品進(jìn)行拉曼測量，我們可以提取出與襯底有關(guān)的溫度系數(shù)。使用這三種不同的基底，并了解熔融二氧化硅和銅的TEC，我們可以提取二維材料的固有TEC，&rdquo;鐘解釋道。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">一個(gè)奇怪的結(jié)果</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>他們對(duì)幾種二維材料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)它們都符合理論計(jì)算。但研究人員發(fā)現(xiàn)了他們沒有預(yù)料到的事情:2D材料根據(jù)組成它們的元素劃分了層次。例如，含有鉬的2D材料的TEC總是比含有鎢的材料的TEC大。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員深入研究后發(fā)現(xiàn)，這種層次結(jié)構(gòu)是由一種被稱為電負(fù)性的基本原子性質(zhì)引起的。電負(fù)性描述了原子在成鍵時(shí)吸引或提取電子的傾向。它被列在元素周期表上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們發(fā)現(xiàn)形成二維材料的元素的電負(fù)性差越大，材料的熱膨脹系數(shù)就越低。鐘說，工程師可以使用這種方法快速估計(jì)任何二維材料的TEC，而不是依賴于通常必須由超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的復(fù)雜計(jì)算。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;工程師只需搜索元素周期表，得到相應(yīng)材料的電負(fù)性，將它們代入我們的相關(guān)方程，在一分鐘內(nèi)就可以對(duì)TEC有一個(gè)相當(dāng)好的估計(jì)。這對(duì)于工程應(yīng)用的快速材料選擇是非常有前途的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>下一步，研究人員希望將他們的方法應(yīng)用到更多的2D材料上，也許可以建立一個(gè)TECs數(shù)據(jù)庫。他們還想使用微拉曼光譜來測量混合了多種二維材料的非均勻材料的TECs。他們希望了解二維材料的熱膨脹不同于塊狀材料的潛在原因。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)工作部分由麻省理工學(xué)院和南方科技大學(xué)機(jī)械工程研究與教育中心、材料研究科學(xué)與工程中心、美國國家科學(xué)基金會(huì)和美國陸軍研究辦公室資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>